一种基于动力学守恒定律的弹道目标关联方法

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，尤其是一种基于动力学守恒定律的弹道目标关联方法。

背景技术

弹道导弹的飞行包括三个阶段：助推段、中段和再入段。其中，中段是识别和拦截弹道导弹的重要阶段。为了提高弹道导弹的突防能力，突防方通常会在中段采取多种突防措施，主要有释放诱饵或箔条、末修舱爆炸产生碎片、有源干扰等。这些目标会伴随弹道导弹高速飞行，它们空间分布密集，运动状态相似，从而形成突防云团。对雷达系统而言，这是典型的密集多目标环境，会对雷达跟踪关联造成干扰，导致真目标错跟或失跟。针对空间密集群目标的数据关联问题，国内外有诸多研究。但现有方法多立足于关联算法的改进或弹道群目标的空间特性，而未考虑弹道目标的运动学特性。由于弹道导弹在中段飞行期间处于距离地面几十至上千公里的高空，大气稀薄，空气阻力可以被忽略，可看作只受地球引力影响。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种精度高的，基于动力学守恒定律的弹道目标关联方法，以关联级解决抑制电假目标点迹干扰的问题，并提高真目标的跟踪精度。

本发明实施例的一方面提供了一种基于动力学守恒定律的弹道目标关联方法，包括：

采用航迹起始方法生成起始航迹；

根据所述起始航迹以及目标对象在目标时刻的目标状态，预测对应的目标位置；

利用关联门确定候选有效量测；

通过动量矩和机械能的联合假设检验对所述候选有效量测进行筛选，得到目标有效量测；

根据所述目标位置和所述目标有效量测，通过关联滤波确定所述目标对象的目标航迹。

可选地，所述根据所述起始航迹以及目标对象在目标时刻的目标状态，预测对应的目标位置，包括：

采用滤波算法对目标时刻的目标状态进行预测，得到时刻目标预测状态、预测协方差、预测位置、新息协方差、滤波增益；所述滤波算法包括扩展卡尔曼滤波算法和不敏卡尔曼滤波算法；

所述目标时刻的预测状态的计算公式为：

其中，

所述状态方程的计算公式为：

所述雅可比矩阵F(X)的计算公式为：

其中，x、y、z分别代表目标的x、y、z轴坐标，

所述预测位置的计算公式为：

其中，

所述预测协方差的计算公式为：

Φ(k)＝I+F(X(k-1))Δt

其中，

所述新息协方差的计算公式为：

其中，

可选地，所述通过动量矩和机械能的联合假设检验对所述候选有效量测进行筛选，得到目标有效量测，包括：

对有效量测进行无偏转换；

求有效量测的瞬时动量矩、机械能及对应的方差；

估计目标时刻的动量矩和机械能的守恒值；

建立动量矩和机械能的统计检验模型并进行联合假设检验。

可选地，所述对有效量测进行无偏转换，包括：

对有效量测进行量测位置转换；

对有效量测进行预测速度转换；

其中，所述对有效量测进行量测位置转换包括：将球坐标系下的有效量测转换为ENU坐标系下的量测；将ENU坐标系下的量测转换为地心惯性坐标系下的量测；

所述对有效量测进行预测速度转换包括：从目标时刻的预测状态中取出目标时刻ENU坐标系下的预测速度，从预测协方差中取出预测速度的协方差；将预测速度转换为ECI坐标系下的速度，并得到对应的协方差矩阵。

可选地，所述求有效量测的瞬时动量矩、机械能及对应的方差，包括：

计算有效量测的动量矩分量、动量矩的方差、机械能以及机械能的方差；

所述估计目标时刻的动量矩和机械能的守恒值，包括：

计算动量矩的加权最小二乘估计；

计算机械能的加权最小二乘估计；

所述建立动量矩和机械能的统计检验模型并进行联合假设检验，包括：

对动量矩建立统计检验量；

对机械能建立统计检验量；

根据动量矩和机械能的统计检验量，进行联合假设检验。

可选地，所述根据所述目标位置和所述目标有效量测，通过关联滤波确定所述目标对象的目标航迹，包括：

使用动量矩和机械能信息修正加权概率；

使用PDA方法关联确定目标航迹；

所述使用动量矩和机械能信息修正加权概率，包括：根据目标时刻下剩余的量测个数，确定量测为真目标点迹的概率；

所述使用PDA方法关联确定目标航迹，包括：确定目标时刻有效量测的新息，形成等效量测的新息，用等效量测更新目标状态以及更新协方差；根据更新后的状态计算目标时刻的瞬时动量矩和机械能。

本发明实施例的另一方面还提供了一种基于动力学守恒定律的弹道目标关联装置，包括：

第一模块，用于采用航迹起始方法生成起始航迹；

第二模块，用于根据所述起始航迹以及目标对象在目标时刻的目标状态，预测对应的目标位置；

第三模块，用于利用关联门确定候选有效量测；

第四模块，用于通过动量矩和机械能的联合假设检验对所述候选有效量测进行筛选，得到目标有效量测；

第五模块，用于根据所述目标位置和所述目标有效量测，通过关联滤波确定所述目标对象的目标航迹。

本发明实施例的另一方面还提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器；

所述存储器用于存储程序；

所述处理器执行所述程序实现如前面所述的方法。

本发明实施例的另一方面还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如前面所述的方法。

本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行前面的方法。

本发明的实施例采用航迹起始方法生成起始航迹；根据所述起始航迹以及目标对象在目标时刻的目标状态，预测对应的目标位置；利用关联门确定候选有效量测；通过动量矩和机械能的联合假设检验对所述候选有效量测进行筛选，得到目标有效量测；根据所述目标位置和所述目标有效量测，通过关联滤波确定所述目标对象的目标航迹。本发明的精度高，能够关联级解决抑制电假目标点迹干扰的问题，并提高真目标的跟踪精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法的算法流程图；

图2为本发明方法的效果展示：(a)为仿真跟踪场景，(b)为关联结果，(c)为部分关联过程，(d)为动量矩变化，(e)为机械能变化；

图3为本发明方法与传统PDA方法的性能对比：(a)为既有杂波又有假目标的情况，(b)为仅有杂波的情况；

图4为本发明方法与仅利用动量矩或机械能信息之一的性能对比示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行可选地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于动力学守恒定律的弹道目标关联方法，能够在关联级解决抑制电假目标点迹干扰的问题，并提高真目标的跟踪精度。

本发明的一种基于动力学守恒定律的弹道目标关联方法，包括以下步骤：

S1、采用航迹起始算法形成起始航迹；

S2、由k-1时刻目标状态预测k时刻目标位置；

S3、利用关联门确定有效量测；

S4、通过动量矩和机械能的联合假设检验可选地筛选有效量测；

S5、使用修正的PDA方法关联滤波确定目标航迹。

可选地，所述步骤S1包括：

可采用的航迹起始算法有直观法、逻辑法、修正的逻辑法等。

可选地，所述步骤S2包括：

选择适宜的滤波算法(如扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)、不敏卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter,UKF)等)由k-1时刻目标状态得到k时刻目标预测状态、预测协方差、预测位置、新息协方差、滤波增益。以EKF为例，目标k时刻的预测状态由下式计算：

其中，X为以雷达站为中心的东北天(East North Up,ENU)坐标系下的目标状态，以

其中，μ为地心引力常数，通常取3.986005×10

预测位置由下式计算：

Z为球坐标系下的目标位置，以

预测协方差由下式计算：

Φ(k)＝I+F(X(k-1))Δt,

其中，

新息协方差由下式计算：

其中，

滤波增益由下式计算：

可选地，所述步骤S3包括：

若量测满足式：

即为有效量测。其中，m(k)代表k时刻有效量测的个数，γ代表关联门门限，由正确量测落入关联门的概率决定。

可选地，所述步骤S4包括：

S41、对有效量测进行无偏转换；

S42、求有效量测的瞬时动量矩和机械能及其方差；

S43、估计k时刻动量矩和机械能的守恒值；

S44、建立动量矩和机械能的统计检验模型并进行联合假设检验。

可选地，所述步骤S41包括：

S411、量测位置转换；

S412、预测速度转换。

可选地，所述步骤S411包括：

对球坐标系下的有效量测

其中，

且有Z

其中，

其中，

再通过下式，将Z

Z

其中，T为变换矩阵：

L和B分别为雷达站位置的经度和纬度。

且有Z

R

可选地，所述步骤S412包括：

从目标k时刻的预测状态

通过下式，将

且有

可选地，所述步骤S42包括：

对有效量测Z

动量矩的方差

机械能由下式计算：

其中，

可选地，所述步骤S43包括：

动量矩的加权最小二乘估计为：

其中，h(t)为由t时刻更新后的目标状态计算得到的瞬时动量矩，σ

机械能的加权最小二乘估计为：

其中，E(t)为由t时刻更新后的目标状态计算得到的瞬时机械能，σ

可选地，所述步骤S44包括：

对动量矩建立统计检验量为：

定义假设：

H

H

设α为显著性水平，则1-α为置信区间，判决门限

判决方法：

若q

若q

对机械能建立统计检验量为：

定义假设：

H

H

判决方法：

若q

若q

设D

可选地，所述步骤S5包括：

S51、使用动量矩和机械能信息修正加权概率；

S52、使用PDA方法关联确定目标航迹。

可选地，所述步骤S51包括：

记k时刻经步骤S4后余下量测的个数为n(k)。量测j为真目标点迹的概率：

其中，

b＝λ(1-P

j＝0表示没有正确量测，P

可选地，所述步骤S52包括：

k时刻有效量测j的新息：

则形成的等效量测的新息：

用等效量测更新目标状态：

更新协方差：

其中，

P

k时刻目标的瞬时动量矩h(k)和机械能E(k)由更新后的状态X(k)计算得到。

下面结合说明书附图，对本发明在具体应用场景下的实施过程进行详细说明：

参照图1，一种基于动力学守恒定律的弹道目标关联方法，包括以下步骤：

S1、采用航迹起始算法形成起始航迹；

S2、由k-1时刻目标状态预测k时刻目标位置；

S3、利用关联门确定有效量测；

S4、通过动量矩和机械能的联合假设检验进一步筛选有效量测；

S5、使用修正的PDA方法关联滤波确定目标航迹。

仿真以下跟踪场景：真目标关机点高度为80km，关机点速度为2500m/s，中段总飞行时间为370s。雷达布站的位置为北纬2°，东经4.5°，跟踪数据频率为1Hz。雷达距离量测噪声标准差为20m，角度量测噪声标准差为10

本发明效果展示如图2所示：图2(a)为仿真跟踪场景，图2(b)为关联结果，图2(c)为部分关联过程，图2(d)为动量矩变化，图2(e)为机械能变化。可见传统PDA方法会受到较明显的干扰，导致真目标航迹逐渐被假目标点迹带偏，出现了关联错误，而本发明方法则避免了这种情况。动力学守恒检验相当于在传统关联门的基础上建立了第二级关联门，图4中示例了图3矩形框内两级关联门对量测的筛选过程，可以看到第二级关联门进一步剔除了远离真目标航迹的量测，起到了抑制航迹被一系列假目标点迹“拉偏”的作用，从而将航迹往正确方向“拉回”。而从动量矩和机械能对比图中可见，相较于传统PDA方法，本发明方法使得关联后的动量矩和机械能也更接近理论值。

进行1000次蒙特卡洛仿真探究本发明方法性能如图3所示。如图3(a)所示，相较于传统PDA方法，本发明方法有效降低了跟踪误差，提升了跟踪精度。而在仅有杂波(密度为10

为了对算法性能做进一步的分析，图4对比了1000次蒙特卡洛仿真下仅利用动量矩和仅利用机械能的误差。可见仅利用动量矩或机械能都能够有效减小跟踪误差，且其误差小于传统PDA方法，但大于本发明方法，即同时使用动量矩和机械能，说明了本发明方法的有效性。

本申请实施例提供的中段弹道目标的数据关联算法以PDA算法为基础，利用目标的动力学守恒特性进行改善。这种方法起到了抑制杂波和有源假目标干扰的作用，提升了跟踪性能。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-On ly Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)、便携式计算机盘盒(磁装置)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)、光纤装置以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。